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Theses Year : 2008

Numerical simulation of instabilities on coextrusion process of polyester

Étude numérique des instabilités dans le procédé de coextrusion des polyesters

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Abstract

The polymer coextrusion process is a new method of sheet metal lining. It allows to substitute lacquers for steel protection in food packaging industry. It consists in extruding different polymers in the same die in order to get a multi-layer product which will provide simultaneously adhesion properties (on metal) as well as mechanical and printing properties for the coating. The coextrusion process may exhibit flow instabilities at the interface between the two polymer layers. These instabilities depend on several parameters, e.g. processing temperatures and flow rates, differences in viscosity and elasticity. The objective of this study is to check the influence of processing and rheology parameters on the instabilities. Finite element numerical simulations of the coextrusion process allow to investigate various stable and instable flow configurations. 3D finite element computation of the whole die geometry (with only one polymer) points out that the flow is 2D both at the die entry and at the die exit, which are supposed to initiate the coextrusion defects. 2D dynamic stability analysis of the coextrusion flow points out the development of progressive waves along the die geometry. In the purely viscous case, the driving force is the Reynolds number (which is obviously very small for molten polymer flows) and the initial perturbation vanishes along the die. In the viscoelastic case, the driving force is the Weissenberg number which may be much higher than the Reynolds number. The results show that the amplitude of the progressive waves may increase or decrease, depending on the processing parameters, towards the die exit. The results are compared with experiments carried out by our industrial partner. The simulations predict surprisingly well the experimental results.
La fabrication d'un film multicouches en polymère peut être réalisée de manière économique par l'utilisation de la technique de coextrusion. Ce procédé consiste à extruder plusieurs polymères à l'état fondu à travers une filière pour obtenir un produit multicouches qui pourra être utilisé dans de multiples applications (film polymère, revêtement d'un substrat métallique ou papier...). La superposition des couches permet de conférer au produit des propriétés complémentaires (adhésion, résistance mécanique, aptitude à l'impression ...). Dans certaines conditions opératoires, on observe des instabilités à l'interface entre les couches qui vont nuire aux qualités du produit obtenu. Des études ont montré que plusieurs paramètres peuvent être la cause de ces instabilités : les températures des produits et de la filière, les débits de chaque polymère, la différence de leur viscosité et de leur élasticité.Nous avons développé un modèle numérique permettant de saisir l'influence des paramètres du procédé sur les instabilités interfaciales. Un calcul éléments finis 3D sur l'ensemble de la filière (avec seulement une couche) a permis de montrer que l'écoulement est 2D dans la zone d'entrée et la zone de sortie de la filière, que l'on peut suspecter d'être à l'origine du développement des défauts. Les études de stabilité dynamique bidimensionnelle de l'écoulement montrent qu'une perturbation initiale engendre une onde progressive le long de la filière quelque soit la zone d'étude. Dans le cas d'un comportement purement visqueux, l'amplitude de la perturbation a tendance à être atténuée quelque soit les débits des polymères. Ceci s'explique car le moteur de l'instabilité est le nombre de Reynolds dont la valeur est faible. Dans le cas de comportements viscoélastiques, le moteur de l'instabilité est le nombre de Weissenberg dont la valeur est plus grande que celle du nombre de Reynolds. Les résultats montrent que l'amplitude de la perturbation peut, selon les cas, augmenter ou diminuer en s'approchant de la sortie de filière. La corrélation avec les résultats expérimentaux est satisfaisante.
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Dates and versions

tel-00348802 , version 1 (22-12-2008)

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  • HAL Id : tel-00348802 , version 1

Cite

Omar Mahdaoui. Étude numérique des instabilités dans le procédé de coextrusion des polyesters. Mécanique [physics.med-ph]. École Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2008. Français. ⟨NNT : 2008ENMP1576⟩. ⟨tel-00348802⟩
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